“双碳”目标下黔东南苗族传...楼建筑空间气候调控特征研究_高培.pdf

China Forest Products Industry林产工业，2023，60（04）：86-92为应对全球气候变暖和资源枯竭趋势，我国正积极实现“双碳”目标和控制能源消耗。据统计，建筑业能源消耗在全球占比已超40%1，我国“十三五”期间(已经统计的 2016-2018 年数据)碳排年均增速为 3.1%2，推进绿色建筑可有效降低能耗，减少碳排放。我国广“双碳”目标下黔东南苗族传统吊脚木楼建筑空间气候调控特征研究高 培1,2 肖毅强1*陈 蛟3 邵丽丽1,2 （1.华南理工大学建筑学院，广东 广州 510641；2.贵州民族大学建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；3.凯里学院建筑工程学院，贵州 凯里 556011）摘要：推进绿色建筑可有效降低碳排放和建筑能耗，以往的绿色建筑研究多偏重建筑设备和建筑实体方面，而对建筑空间的气候调控作用研究较少。黔东南苗族传统吊脚木楼建筑建造工艺，经长期与当地气候适应，针对炎热季节，已具备成熟的建筑空间气候调节经验。本文分析了黔东南苗族传统吊脚木楼建筑空间一般性特征，在此基础上识别出包括阁楼层、吊脚层、堂屋、望楼、深飘檐、吞口等典型气候调节空间，分析了气候调节作用机制。通过对当地两个典型传统吊脚木楼样本的夏季实测，实证其建筑空间的气候调节作用，归纳分析了黔东南苗族传统吊脚木建筑相关气候调节经验对现代绿色木结构建筑营建的启示意义，并尝试将其运用于当地现代建筑设计，为相似气候地区绿色建筑营建提供参考。关键词：绿色低碳；苗族；木楼；建筑空间；气候调节中图分类号：TS6;TU253 文献标识码：A 文章编号：1001-5299（2023）04-0086-07 DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202304015Study on the Spatial Climate Control Characteristics of Miao Traditional Stilted Wooden Buildings in Southeast Guizhou Province Under the Double Carbon TargetGAO Pei1,2 XIAO Yi-qiang1 CHEN Jiao3 SHAO Li-li1,2 (1.School of Architecture of South China University of Technology,Guangzhou 510641,Guangdong,P.R.China;2.Architectural Engineering College of Guizhou Minzu University,Guiyang 550025,Guizhou,P.R.China;3.Architectural Engineering College of Kaili University,Kaili 556011,Guizhou,P.R.China)Abstract:Promoting green buildings can effectively reduce carbon emissions and building energy consumption.Previous green building research mostly focused on building equipment and building entities,but less on the climate control role of building space.The construction process of the Miao traditional stilted wooden buildings in Southeast Guizhou Province has been adapted to the local climate for a long time,and has mature experience in the building spatial climate control for the hot season.In this paper,the general characteristics of the building space of the Miao traditional stilted wooden buildings in Southeast Guizhou Province were firstly analyzed,and on this basis,typical climate control spaces including attic floor,first floor overhead,hall,watchtower,deep floating eaves,and swallowing mouth were identified,and then their climate control mechanisms were analyzed.Secondly,the climate control effect of the building space was demonstrated through summer field measurements of two typical local traditional stilted wooden building samples.Finally,the significance of the climate control experience of the Miao traditional stilted wooden buildings in Southeast Guizhou Province was summarized and analyzed for modern green wooden architecture,and the experience was also tried to apply to the local modern architectural design to provide a reference for green building construction in similar climate zones.Key words:Green and low carbon;The Miao nationality;Wooden buildings;Architectural space;Climate control基金项目：国家自然科学基金项目（52078214）；贵州省教育厅高等学校科学研究项目（青年项目，黔教技 2022152 号）作者简介：高 培，男，副教授，在读博士研究生，研究方向为民族地域建筑，绿色建筑，E-mail:*通讯作者：肖毅强，男，教授，博士，研究方向为绿色建筑、建筑建构技术、生态景观建筑，E-mail:收稿日期：2022-09-28 高培，等：“双碳”目标下黔东南苗族传统吊脚木楼建筑空间气候调控特征研究87第4期大优秀传统民居，形成了一套包括建筑实体界面和建筑空间两方面的成熟而适宜的应对地区气候的经验3-6。以往研究主要聚焦在墙体屋面等建筑实体界面方面。然而，建筑中有一类空间对建筑整体气候起着主导调节作用7-8，其对于建筑热环境的影响不容忽视9-16。贵州黔东南苗族传统吊脚木楼建筑具有气候适应性17-19。当地属于夏热冬冷地区，建筑需满足夏季防热、通风降温需求，冬季应适当兼顾防寒。尽管黔东南传统苗族吊脚木楼在墙体等界面的隔热降温性能不佳，但其通过一系列气候调节空间发挥作用，表现出炎热季节较好气候适应性，通过空间调节无需额外增加材料用量和施工复杂程度，同时可减少建筑运行中的能耗需求，从而有效降低碳排放和能源消耗20-22。鉴于此，本文将针对吊脚木楼的热环境影响因素，分析其在炎热季节空间的气候调节特征。1 黔东南苗族传统吊脚木楼建筑空间特征由于黔东南苗族传统村寨多选址于山体坡面，当地村民采用架空营建方式创造出了较为完整的水平居住空间，该类民居常被称为吊脚楼（见图1）。吊脚楼建于山坡之上，一般将山坡改造成一个台基，将房屋沿横向方向部分坐落于台基地之上，而悬空部分则通过柱子落脚于下方的坡面或改造台基之上，此类柱子又被称作吊脚柱。生活主层空间由悬空部分的木板层和台基部分的地面层共同拼接组成。相对山体来说，木板层在外侧，地面层部分靠近山体。生活主层下方的架空部分常作为辅助空间使用。传统吊脚楼为典型穿斗式梁架体系，梁架、墙体和楼面均采用杉木制作。由于地形限制，传统吊脚楼中的空间比较局促，生活空间和生产空间融于一楼。典型的生活空间包括堂屋、火塘间、卧室和厨房。典型的生产空间包括畜禽饲养间、农用工具间和农作物储藏间，常用吊脚层作为畜禽饲养间、农用工具间，用阁楼层作为农作物储藏间。堂屋空间具有开放性和多样性。受民族传统文化影响，堂屋正面需开敞接纳屋外自然，因此成为一个典型的半开放空间。吊脚层是整个建筑临接地面、坡面等“地气”的空间，该空间三面墙体常为木墙或杉皮墙，靠山一面和地面为山体部分。顶部阁楼层山墙部分局部不做墙板而形成开口，便于为储存的谷物通风。除生活、生产等主要空间外，传统吊脚楼中还有外廊、吞口、飘檐空间等辅助空间，见表1图例。外廊宽度约为0.71.1 m，除交通作用外，还设有供休息的座椅“美人靠”，又被称为“望楼”，作为生活休闲空间，常位于建筑正面或山墙面飘檐之下。为保护木构外墙免受雨水侵蚀，传统吊脚楼的出檐都较深远，在飘檐下形成了具有一定围合感的檐下空间，一般达一个步架且不少于1.1 m。有一类传统吊脚楼会在主入口处设置吞口。吞口常位于生活层明间，由正面外墙向内凹进0.71.1 m，形成一个内凹的入口过渡空间。黔东南苗族传统吊脚楼在空间组织上也反映出一定的空间规律。在垂直方向上，一般分为三层，从下到上依次为吊脚层、生活层和阁楼层，生活层包含了前述各类生活空间。在水平方向上，吊脚层和阁楼层作为生产空间，功能布局较为自由。空间组织的规律性主要体现在生活层，一般以堂屋为空间组织核心，其他空间围绕其形成并联为主、串联为辅的空间组织模式。图1 黔东南典型苗族传统吊脚楼Fig.1 Typical Miao traditional stilted buildings in Southeast Guizhou Province（a）朗德上寨某宅外观（b）典型吊脚楼剖面示意图林 产 工 业88第60卷2黔东南苗族传统吊脚木楼气候调节空间及作用机制2.1 气候调节空间黔东南苗族传统吊脚楼应对高温高湿气候的调节空间主要有阁楼层、吊脚层、开敞堂屋、外廊（望楼）、深飘檐空间、吞口等。空间的气候适应策略主要有气候缓冲、自然通风和遮阳（表1）。2.2 气候调节空间作用机制气候缓冲作用机制是气候调节空间介于外部和内部空间之间，缓解外部温度或湿度对室内空间的影响。遮阳作用机制则是通过构件或空间悬挑遮蔽太阳辐射，从而达到降温目的。自然通风作用机制主要为在吊脚楼竖向方向上从下到上形成热压差，通过各层联系开口促进通风，在水平方向通过合理的空间布局和开口设置促进风压通风（见图2）。2.2.1 阁楼层阁楼层山墙两端局部开敞，当其中一个山墙面迎风时，两端山墙较易形成风压差，促进阁楼层水平向的风压通风，降低阁楼层空气温度与相对湿度。阁楼层与生活层和吊脚层之间常设有供上下的楼梯开口，堂屋也多与阁楼层通高贯通。阁楼层在太阳辐射下不断被加热，使空气升温压力降低，与吊脚层或生活层空气形成温差和热压差，促进整栋建筑竖向通风（见图2a）。阁楼层在竖向空间组织上，介于建筑外部与主要生活层之间，发挥空气间层缓冲作用，降低了其下生活层受室外高温的影响，其自身温度又可由前述通风作用得以降低。由于阁楼层屋顶采用典型板椽冷摊瓦构造方式（见图3），卧瓦与板椽之间形成腔体空间，成为阁楼层自身的空气间层，其面积不少于屋面面积的1/2，对阁楼层起到一定程度的隔热缓冲作用，其腔体温度常通过沿屋面斜向通道和缝隙通风降低。气候调节空间图例调控策略气候缓冲自然通风遮 阳阁楼层主要策略主要策略吊脚层主要策略主要策略堂屋主要策略望楼（外廊）主要策略次要策略主要策略深飘檐次要策略次要策略主要策略吞口主要策略主要策略主要策略表1 气候调节空间及其调控策略Tab.1 Climate control space and its control strategy（a）吊脚楼热压通风示意图2 吊脚楼空间通风示意Fig.2 Schematic of the space ventilation of the stilted buildings（b）堂屋通风示意图3 屋顶板椽冷摊瓦Fig.3 Roof slab rafter cold stand tile（b）构造示意（a）实例 高培，等：“双碳”目标下黔东南苗族传统吊脚木楼建筑空间气候调控特征研究89第4期2.2.2 吊脚层吊脚层地面与一个壁面均为山体，山体具有高热稳定性特征。由于山体作用，吊脚层空气温度随室外气候变化的影响相对较小，在炎热夏季的白天，其室内气温相对较低，对其上层生活层的空间温度升高具有一定延缓作用。另外，山体湿度较高，吊脚层位于山体与生活层之间作为中间层，缓和了高湿度的影响，吊脚层在建筑中发挥着气候缓冲作用。吊脚层除山壁一面外，其余三个围合墙面并非严实，缝隙较多且多设有窗户，成为空气流通的开口。对于整栋建筑而言，吊脚层相对冷的空气与阁楼层相对热的空气之间形成热压差，由于各层间设有开口联系，从而容易形成竖向热压通风，加之吊脚层水平向风压通风，不仅降低了自身的空气温湿度，对整栋建筑的降温也能起到促进作用（见图2a）。2.2.3 堂屋传统木楼堂屋正面向外开敞，面向迎风面导风进入室内。空间组织上，堂屋是整个吊脚楼的空间枢纽，堂屋同层大多数房间围绕其布置，并与之设有门等联系开口。竖向组织上，堂屋设于吊脚层和阁楼层之间且同样有联系上下的开口，导入堂屋的风通过各类开口进行流动，既有水平方向上的风压通风，也有竖向上的热压通风，堂屋成为吊脚楼中的导风枢纽（见图2b）。2.2.4 望楼（外廊）与深飘檐夏季太阳高度角较高时段，深飘檐可以对吊脚楼生活层及以上外墙产生遮阳作用。飘檐下部和外廊空气温度相对室外降低，起到室内外间的温度缓冲作用。室外空气温度在檐下和外廊处降低，增加了与阁楼空气的热压差，在一定程度促进了竖向的自然通风。2.2.5 吞口吞口空间内凹于檐下外墙以内，具有一定遮阳降温作用21。吞口在夏季白天多数时段处于遮阳阴影区，相对室外温度较低，同样发挥着室内外气温缓冲作用。此外，吊脚楼吞口多位于夏季正面迎风面，凹进的吞口能提高进入建筑的风速，具有一定导风作用。3 气候调节空间案例分析实证对黔东南苗族传统吊脚楼典型建筑空间的气候调节作用进行进一步实证分析。选择两个典型传统穿斗式吊脚木楼为样本，建筑空间涵盖前述各类气候调节空间。在夏季典型日，对其中的空气温度和相对湿度进行实测。选用DELIXI（THM-01）手持式工业温湿度测量仪，温度测量精度0.3，相对湿度范围精度3%，测试位置均距地面高1.2 m。3.1 实证案例一台江县交汪村邰胜光宅台江县交汪村为中国传统村落，邰胜光宅迄今已有100 多年历史。建筑为三层三开间全木吊脚楼，该建筑涉及开敞阁楼、吊脚层、堂屋、外廊、深飘檐等气候调节空间，空间组织方式如图4 所示。建筑朝向南偏西20，海拔984 m。测试时间为2022年8月18日14:30，相关数据如图4、5所示。建筑空间中，温度最低的为吊脚层（31.5），与室外温差为4.8，说明临接吊脚层的山体发挥了较好的热稳定作用，较“冷”的吊脚层可对其上层空间升温起到一定缓冲作用。测试时，建筑空间中阁楼层温度最高为33.7，温度介于室外与其下方生活层各空间之图4 交汪村邰胜光宅空间组织与温湿度分布图Fig.4 Spatial organization,temperature and humidity distribution of Tai Shengguang House in Jiaowang Village（a）生活层平面示意与空间温湿度分布图（b）剖面示意图及测试时刻空间温湿度林 产 工 业90第60卷间，说明建筑空间产生了温度缓冲作用。阁楼层与吊脚层温差为2.2，与堂屋温差为1.7，说明阁楼层有助于全楼热压差的形成。沿建筑中轴由外向内空气温度分别为：室外36.3、深飘檐（南）35.3、外廊33.3、堂屋32.0 （见图4a）。可见，深飘檐与外廊温度相对室外降低，说明遮阳降温策略产生作用，四者之间形成温度梯度，说明飘檐与外廊可发挥温度缓冲作用，同时也有助于热压通风的形成。堂屋温度为32.0，是仅次吊脚层外的相对低温空间，这可能得益于吊脚层作为自然通风枢纽和周边温度缓冲空间的综合作用。吊脚层相对湿度为51.9%，高于室外12.8%。位于其上的卧室1 的相对湿度为49.1%，下方无吊脚层而为山体下垫面的卧室2 的相对湿度为57.2%，可以推断，吊脚层对其上空间湿度具有缓解作用。3.2 实测案例二雷山县朗德上寨陈正平宅雷山县朗德上寨为国家级文物保护单位。位于其中的陈正平宅始建于清代，建筑为三层四开间一偏厦全木吊脚楼，涉及吊脚层、阁楼层、堂屋、外廊、飘檐、吞口等气候调节空间。空间组织方式如图6 所示。建筑朝向北，海拔836 m。测试时间为2022年8月19日14:30。由于户主不便，阁楼层数据未测量，其他数据如图6和图7所示。吊脚层温度在所测空间中最低为31.5，说明山体发挥着热稳定作用，其上火塘间前部温度为32.1，这里较“冷”的吊脚层同样可对上部空间升温起到一定缓冲作用。沿建筑左稍间轴线由北到南温度依次为：室外37.8、外廊33.9、火塘间前部楼面部分32.1、火塘间后部地面部分32.0。沿明间轴线由北到南温度依次为：室外37.8、飘檐（北）35.3、吞口34.1、堂屋32.1（见图6a）。以上建筑两列空间温度都体现出梯度特征，说明飘檐、外廊和吞口空间具有遮阳降温和温度缓冲图5 交汪村邰胜光宅测试时刻空间温湿度散点图Fig.5 Scatter plot of spatial temperature and humidity at the time of testing at Tai Shengguang House in Jiaowang Village图6 朗德上寨陈正平宅空间组织与温湿度分布图Fig.6 Spatial organization,temperature and humidity distribution of Chen Zhengping House in Langde Shangzhai（a）生活层平面示意与空间温湿度分布图（b）剖面示意图及测试时刻空间温湿度图7 朗德上寨陈正平宅测试时刻空间温湿度散点图Fig.7 Scatter plot of spatial temperature and humidity at the time of testing at Chen Zhengping House in Langde Shangzhai 高培，等：“双碳”目标下黔东南苗族传统吊脚木楼建筑空间气候调控特征研究91第4期作用。吞口温度为34.1，与其临近的左外廊温度为33.9。吞口温度略高，按调节作用机制分析，吞口更有利导风，因此其温度应低于相邻外廊。然而与实测不符，这可能是由于在测试时，生活层与阁楼层开口未能打开，因此整栋建筑未形成明显的热压通风，测试时刻风压通风也不明显。由于同样的原因，堂屋的通风枢纽作用未能完全发挥，所以其温度并未较明显低于生活层其它空间。吊脚层相对湿度为55.8%，高于室外相对湿度17.7%，位于其上的火塘间前部楼面部分为55.1%，下垫面为山体的火塘间后部和卧室分别为58.7%和58.3%，由此说明吊脚层对其上空间湿度具有缓解作用。通过上述两例的实测验证，表1 中所列的典型气候调节空间的调控作用初步得以证实。4 现代启示与运用4.1 现代启示仅凭空间调节不一定能达到夏季温度舒适范围标准，但可使热环境接近该标准，有效减少建筑能耗“需求侧”需求22，同时降低碳排放。相关研究表明：轻型木结构是具有较高固碳能力的低碳建筑，其固碳量可抵消82.80%碳排放量23，发展轻型木结构建筑对于实现“双碳”目标具有促进作用，对于相当数量现代轻型木结构轻薄壁建筑而言，由于材料厚度小，若相关构造技术水平不高，其建筑隔热性能不佳。假设通过增加材料厚度或采用复杂墙体屋面构造技术进行改进，又会增加经济成本、能源消耗和碳排放。对于材料厚度较高的木结构壁建筑而言，也可能因为构造技术不佳，导致隔热性能较差。因此，借鉴像黔东南苗族吊脚木楼等优秀传统民居的空间气候适应经验，采用空间气候调节策略，可弥补建筑实体部分热工性能不佳的缺陷。对于建筑围合实体部分热工性能良好的现代木结构或其它材料建筑来说，若配合使用空间气候调节策略，将在达到建筑热舒适标准的同时，不但可减少能耗需求，还可减少实体材料厚度。对于近年来基于模块化思想进行设计建造的绿色木塑建筑24，将黔东南苗族吊脚木楼等优秀传统民居的空间气候适应经验融入其中，可进一步提升其建筑绿色性能。空间调节策略本身具有低成本、低能耗和低碳排特征25。在借鉴黔东南苗族传统吊脚木楼空间气候调节经验方面，将各种层次的气候调节空间及多种调节策略合理高效的组织在一起，在系统视角下充分发挥其联动作用，相关气候调节效果将会更为显著。4.2 实践运用在黔东南施洞镇苗学研究院专家楼设计中，将黔东南苗族传统吊脚楼空间气候调节经验进行了一定尝试借鉴。专家楼主要功能为接待性质的旅馆类建筑（见图8a）。首先在竖向空间组织上，将吊脚层和通风阁楼层等气候调节空间引入建筑，负一层通过架空于坡面图8 施洞镇苗学研究院专家楼Fig.8 Accommodation building of the Miao nationality Institute in Shidong Town（a）外观（b）气候调节空间竖向组织（c）半开放通风空间林 产 工 业92第60卷形成开敞式吊脚层，作为辅助公共活动空间，只在一些特定时刻供人使用，更重要的是发挥其气候缓冲作用（见图8b）。建筑顶层设计为坡屋顶且设置阁楼层，阁楼层地面与坡屋面中脊线之间高度为2.4 m，一方面兼做物品储藏室，另一方面发挥其气候缓冲作用，并设置通风口促进自身炎热季通风降温（见图8b）。在建筑南立面各层均设“望楼”，既发挥其公共场所作用促进交流，更发挥其遮阳与温度缓冲的气候调节作用（见图8a）。此外，在建筑临江一侧公共区域设置开敞式半开放空间，一方面便于对江景的收纳，另一方面则希望发挥半开放空间对水陆风的导风作用（见图8c）。5 结语建筑的热舒适调控因子权重从传统到当代经历了一个演变过程，传统建筑应对气候调节以空间被动式调节为主，而现代则以空气调节为主导（即人工机械设备调节）。在“双碳”目标和降低能耗的背景下，建筑内的气候调解可回归到以空间调节为主导的模式26-27。不同地区的空间被动式调节气候经验，可在当地优秀传统民居中探寻，如能被借鉴于现代建筑领域，可减少建筑能耗，降低碳排放。参考文献1 SEYEDZADEH S,RAHIMIAN F P,GLESK I,et al.Machine learning for estimation of building energy consumption and performance:a reviewJ.Visualization in Engineering,2018,6(01):5-20.2 能耗统计专业委员会.中国建筑能耗研究报告R.北京:中国建筑节能协会,2020.3 CHANDEL S S,SHARMA V,MARWAH B M.Review of energy efficient features in 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